产品振动和噪声检测

1、第四章 产品的振动与噪声检测产品的振动与噪声检测# 振动是自然界和工程界常见的现象。振动的消极方面是：影响仪器设备功能，降低机械设备的工作精度，加剧构件磨损，甚至引起结构疲劳破坏；振动的积极方面是：有许多需利用振动的设备和工艺（如振动传输、振动研磨、振动沉桩等）。 振动分析的基本任务是讨论系统的激励（即输入，指系统的外来扰动，又称干扰）、响应（即输出，指系统受激励后的反应）和系统动态特性（或物理参数）三者之间的关系。20世纪60年代以后，计算机和振动测试技术的重大进展，为综合利用分析、实验和计算方法解决振动问题开拓了广阔的前景。 噪声（noise） 即噪音。是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人

2、体健康的声音。 振级和噪声是评定机电产品质量的重要指标。噪声是评定机电产品质量的重要指标。第一节振动检测基础第一节振动检测基础 一、振动描述; 振动(震动)vibration振动(又称振荡)是指一个状态改变的过程。即物体的往复运动。 分类分类：定义定义机械振动：物体(或物体的一部分)在平衡位置（物体静止时的位置）往复运动。-弹簧振子、单摆物理振动：物理量周期性变化。-电磁振荡 广义振动：系统状态的参量（如位移、电压）在其基准值上 下交替变化的过程-基本粒子、政治振荡、经济振荡简谐振动: 按正弦或余弦规律变化，最基本也最简单的机械振动。复杂振动：不能用简单正弦描写。任何复杂振动可以由简谐振动的叠

3、加。描写描写振动描述;自由振动：无阻尼力、无策动力，振幅不变。阻尼振动：有阻尼力，无策动力，振幅逐渐减小，直至振动停止受迫振动：有阻尼力、振动系统在周期性策动力作用下的振动。稳定时，系统的振动频率等于策动力的频率，跟系统的固有频率无关受力确定性振动：有规律性随机振动：无确定性规律如车 辆行进中的颠簸、噪声规律简谐运动Simple harmonic motion原名直译简单和谐运动是最基本也最简单的机械振动。当某物体进行简谐运动时，物体所受的力跟位移成正比，并且总是指向平衡位置。它是一种由自身系统性质决定的周期性运动。（运动和弹簧振子运动）简谐运动方程：位移)cos(tAX速度)sin(tAVX

4、加速度)cos(2tAaX物理量：物理量： 振幅A; 周期T： T 其中m为振子质 量，k为振动系统的回复力系数。 圆频率 -固有频率 频率f= 初相:是t=0时运动状态x,v,a 位相： t= t时运动状态x,v,a 受迫振动:在外界驱动力作用下的简谐振动，频率 只与驱动力频率有关。 驱动力频率越接近固有频率，振幅越大。 驱动力频率与固有频率相等时，振幅随时间正比增大，发生共振。km2 mkT2T1)cos(t受迫振动与共振 1）受迫振动：振动系统在周期性策动力作用下的振动。稳定时，系统的振动频率等于策动力的频率，跟系统的固有频率无关。 （2）共振：当策动力的频率等于系统的固有频率是振幅最大

5、称为共振。 受迫振动方程：见PPT 振动量大小和形态可以用运动体运动量描述：位移、速度、加速度的时间函数描述，也可用频率，振动频率 。园频率单位(HZ）每秒弧度(rad/s)另外还可以用位移、速度、加速度,相位关系。波动波动：振动的传播机械振动在介质中的传播称为机械波（mechanical wave）。机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处，机械波由机械振动产生，电磁波由电磁振荡产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同，在真空中根本不能传播，而电磁波（例如光波）可以在真空中传播；机械波可以是横波和纵波，但电磁波只能是横波；机械波与电磁波的许多物理性质，如：折射、反射等是一

6、致的，描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有：水波、声波、地震波形成条件（机械波）波源波源也称振源，指能够维持振动的传播，不间断的输入能量，并能发出波的物体或物体所在的初始位置。波源即是机械波形成的必要条件，也是电磁波形成的必要条件。波源可以认为是第一个开始振动的质点，波源开始振动后，介质中的其他质点就以波源的频率做受迫振动，波源的频率等于波的频率。水波介质:广义的介质可以是包含一种物质的另一种物质。波动 在机械波中，介质特指机械波借以传播的物质。仅有波源而没有介质时，机械波不会产生，例如，真空中的闹钟无法发出声音。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中，波速是

7、不同的。 下表给出了0时，声波在不同介质的传播速度，数据取自普通高中课程标准实验教科书-物理（选修3-4）(2005年)1。单位v/ms-1介质介质空气空气纯水纯水盐水盐水橡胶橡胶软木软木铜铜铁铁波速波速33214901531305048038004900-动力学方程动力学方程22dtxdm022xmkdtxdkxf:受力一、谐振动动力学方程谐振动动力学方程xvv -AA弹簧振子弹簧振子FF1、弹簧振子：由物体和轻质弹簧组成系统弹簧振子：由物体和轻质弹簧组成系统4-1 简谐振动简谐振动(理想模型理想模型）是某些实际振动的近似，可用来研究复杂振动是某些实际振动的近似，可用来研究复杂振动二、谐振动

8、的运动方程谐振动的运动方程 1。谐振动的特征量谐振动的特征量(1)周期、频率、圆频率周期、频率、圆频率周期周期T：完成一全振动所需的时间：完成一全振动所需的时间)sin(tAdtdxv)cos(2tAdtdvaAx+=cos()tA+=cos()tT +一个周期后位移相等，一个周期后位移相等，x=Acos( t+ )0222xdtxdT =2所以所以频率频率 ：单位时间完成振动次数：单位时间完成振动次数T/1数学式：园频率园频率 ：2 秒内振动次数秒内振动次数2:数学式2T数学式(2)振幅振幅A：物体最大位移的绝对值：物体最大位移的绝对值)/(22020vxA消去sincos00AvAx由初始

9、条件确定由初始条件确定Ax t=0=x 0v t=0=v 0k/mT 2弹簧振子g/lT 2摆单mghJT/2复摆)(mk)(lg)(Jmgh(3)位相（相位、周相）位相（相位、周相）时刻物体的振动状态：位相tt状态物体的初始初位相0:tsincos00AvAx)(001xvtgA消去约定：初位相约定：初位相 (- ， )sin(tAvx=Acos( t+ ).,)(,时刻的运动状态即确定了谐振子位置和速度时刻振动物的就可确定由确定时当tttA谐振动的位移、速度及加速度位相关系谐振动的位移、速度及加速度位相关系)cos(tAx)2/cos()sin(tAtAv)cos()cos(22tAtAa

10、2/超前比xv2/超前比va反相与xavaxTto平面波：波面为平面的波平面波：波面为平面的波波面波面波线波线球面波：波面为球面的波球面波：波面为球面的波波面波面波线波线一、波的几何描述一、波的几何描述（1）波面）波面：由振动相位相同的点所组成的面由振动相位相同的点所组成的面 （2）波前（波阵面）：最前面的波面）波前（波阵面）：最前面的波面（3）波线）波线(波射线波射线)：表示波传播方向的直线表示波传播方向的直线各向同性介质中波线各向同性介质中波线 波面波面5-2波的基本概念波的基本概念 *波动是振动的传播过程。t = T/4t = T/2 t = 3T/4 t = Tt = 00481620

11、 12 24 “上游上游”的质元依次带动的质元依次带动“下游下游”的质元振动。的质元振动。 某时刻某质元的振动状态将在较晚的时刻于某时刻某质元的振动状态将在较晚的时刻于“下游下游”某处出某处出现。现。 纵波纵波按波线与振按波线与振动方向关系动方向关系横波横波二、机械波的分类二、机械波的分类按波面形状按波面形状平面波平面波球面波球面波柱面波柱面波按复杂程度按复杂程度简谐波简谐波复波复波按持续时间按持续时间连续波连续波脉冲波脉冲波按波形是按波形是否传播否传播行波行波驻波驻波xy横波的波动过程振振动动方方向向波的传播方向波的传播方向横波：横波：质点的振动方向和波的传播方向垂直质点的振动方向和波的传播

12、方向垂直传播媒质：具有剪切弹性或产生张力传播媒质：具有剪切弹性或产生张力机械横波只能在固体或柔软绳索中传播机械横波只能在固体或柔软绳索中传播纵波的波动过程波的传播方向波的传播方向质点振动方向质点振动方向疏疏密密疏疏密密疏疏纵波：纵波：质点的振动方向和波的传播方向平行质点的振动方向和波的传播方向平行传播媒质：具有拉压弹性或容变弹性传播媒质：具有拉压弹性或容变弹性机械纵波可在固体、液体或气体中传播机械纵波可在固体、液体或气体中传播弹性媒质中弹性媒质中u密度模量波速波速仅仅取波速仅仅取决于媒质的决于媒质的弹性弹性和和惯性惯性模模量量密密度度横波Gu固体：Tu柔绳： 线密度绳张力:T纵波Yu固体：Bu

13、液气：三三. 波的特征量波的特征量1.波速波速u概念：概念： 振动状态传播的速度振动状态传播的速度由媒质的性质决定与波源情况无关。由媒质的性质决定与波源情况无关。2. 周期周期T：一个完整的波通过波线上的某点所需的时间。一个完整的波通过波线上的某点所需的时间。由波源决定由波源决定（波源、观测者均不动时）（波源、观测者均不动时） 角频率角频率: 频率频率:T1 2 3. 波长波长 ：波线上相邻的振动状态相同的两质元间的距离。波线上相邻的振动状态相同的两质元间的距离。x uuT 由波源和媒质共同决定。由波源和媒质共同决定。波长反映波的波长反映波的“空间周期空间周期”。时间周期反映了波的、T四、波动

14、的传播特征：四、波动的传播特征：2Ttxt = T/4t = T/2 t = 3T/4 t = Tt = 00481620 12 24各质元振动的周期（各质元振动的周期（T）与波源相同，各质元的振动）与波源相同，各质元的振动状态不同（即相位不同），沿波的传播方向，各质元状态不同（即相位不同），沿波的传播方向，各质元相位依次落后相位依次落后5-3平面简谐波 一、平面简谐波概念 所有质点作谐振且波面为平面的波二、平面简谐波的波动方程： y=f(x,t) 描述媒质中各质点位移y随各点平衡位置x和时间t变化的函数关系xxuyoBCx沿x轴正向传播1、参考点、参考点O振动方程振动方程)cos(ootAy

15、x0点点B振动方程振动方程ooBuxtAuxtyty）（cos)()(波动方程波动方程：)(cos0 xouxxtAy结论：结论：确定波动方程的二个条件确定波动方程的二个条件u已知. 1程波线上一点的振动方. 2)(02cosxoxxTtAy)t(02cosxoxxAy-to0(2cosxxxuAy）波动方程其它形式波动方程其它形式22TuTx=x1y=Acos(t-x1/u)+波动方程波动方程 x1处质点的振动方程处质点的振动方程t=t1y=Acos(t1-x/u)+yxo波动方程波动方程 t1时刻各质点位移与其坐标方程质点位移与其坐标方程( t1时刻波形图照片波形图照片)三、波动方程物理意

16、义(正向传播波为例)(uxtAycos 表明相应于表明相应于位移位移y1的相位向前传播了的相位向前传播了ut行波t 与与 x 都发生变化都发生变化(一般情形一般情形)y|t= t1+ t=Acos (t1+t- /u)+ x|t=t1=Acos (t1-x/u)+ 1y1yy 且. t1+ tyyx.xot11yxtuxx华东理工大学物理实验中心华东理工大学物理实验中心East China University of Science and Technology弹性摆轮的受迫振动方程tMdtdbkdtdJcos022 n根据转动定理受迫振动方程tmdtddtdcos22022 摆轮转动惯量弹性

17、力矩空气阻尼力矩强迫阻尼力矩)(,)(2),(020强迫力矩阻尼系数固有频率JMmJbJk 华东理工大学物理实验中心华东理工大学物理实验中心East China University of Science and Technology受迫振动方程n当摆轮受到周期性强迫外力矩的作用，并在有空气阻尼的媒质中运动时，其运动方程为 tMdtdbkdtdJcos022摆轮转动惯量弹性力矩空气阻尼力矩强迫阻尼力矩达到稳定振动状态传递能量表示强迫力对摆轮作功间衰减消失表示阻尼振动经一段时通解为简谐振动方程阻尼振动方程强迫力矩阻尼系数固有频率,coscos:00coscos2)(,)(2),(02012022

18、020ttetmtmdtddtdJMmJbJkt华东理工大学物理实验中心华东理工大学物理实验中心East China University of Science and Technology受迫振动的稳定状态220220222220220122222020201222, 042,4:coscos:mtgmtterrt共振幅度共振频率可求得通过其中通解为华东理工大学物理实验中心华东理工大学物理实验中心East China University of Science and Technology实验装置电磁阻尼部分电机部分电机转动频率调节器* 电机转速、振幅、摆轮周期测量：光电门*相位差测量：闪光

19、灯、角度读数盘上指示杆波的干涉频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。这种现象叫做波的干涉。产生干涉的一个必要条件是，两列波的频率必须相同或者有固定的相位差。如果两列波的频率不同或者两个波源没有固定的相位差（相差），相互叠加时波上各个质点的振幅是随时间而变化的，没有振动总是加强或减弱的区域，因而不能产生稳定的干涉现象，不能形成干涉图样。两列波的相干条件是：频率相同振动方向相同相位相同或相位差恒定二、振动量峰值、有效值、平均值:。振动一般以机械波形式存在，因此在描述 波动，可用正弦波。峰值：在给定区间内，某一量的最大值。峰峰值是

20、代数差的最大值。对于简谐振动峰峰值是代数差的最大值。对于简谐振动振幅 用峰值表示振动的程度具有一定的价值，强度性破坏直接与峰值有关。有效值:设振动信号， 它的有效值定义为：如果有周期振动 则有效值 有效值反映与时间有关，反映振动时间变化经历过程。位移有效值反映与位能有关,速度有效值与动能有关.平均值 ：若振动信号为 则平均值定义为:PmXXrm sX x t 201limTrmsrXxt dtT x tx tT201( )TrmsXxt dtTXsv xt 01limTsvTXxtdtT 三、振动检测标准：周期振动， 其平均绝对值为：与波形变化的过程有关。但还是有效值更有用。 三、振动检测标准

21、：国际标准组织（ISO），设立了机械振动与冲击技术委员会（TC/108）振动检测标准ISO2041-1975 振动与冲击术语我国制定：GB-2298-80 机械振动与冲击术语 GB-2807-81 电机振动测量方法 GB-6587-4-86 电子测量仪器振动试验。 四、振动检测系统的组成工程振动测试方法在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。1、机械式测量方法将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。但在现场测试时较为简单方便。

22、 x tx tT 01Ts vXxtd tT四、振动检测系统的组成 2、光学式测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。如读数显微镜和激光测振仪等。 3、电测方法 将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。这是目前应用得最广泛的测量方法。 上述三种测量方法的物理性质虽然各不相同，但是，组成的测量系统基本相同，它们都包含拾振、测量放大线路和显示记录三个环节。 1、拾振环节。把被测的机械振动量转换为机械的、光学的或电的信号，完成这项转换工

23、作的器件叫传感器。 2、测量线路。测量线路的种类甚多，它们都是针对各种传感器的变换原理而设计的。比如，专配压电式传感器的测量线路有电压放大器、电荷放大器等；此外，还有积分线路、微分线路、滤波线路、归一化装置等等。振动类型振动类型： 3、信号分析及显示、记录环节。从测量线路输出的电压信号，可按测量的要求输入给信号分析仪或输送给显示仪器（如电子电压表、示波器、相位计等）、记录设备（如光线示波器、磁带记录仪、XY 记录仪等）等。也可在必要时记录在磁带上，然后再输入到信号分析仪进行各种分析处理，从而得到最终结果。 主要介绍电测方法，灵敏度高，频率范围宽，线性范围宽，便于遥测和用电子化仪器，计算机处理。

24、 振动类型： 第一类：正在工作产品检测 内容：振动强度、位移、速度、加速度、振动信号波形等。可使人们了介振动情况，寻找振源。 第二类：静止产品的检测 振动力作用于产品受迫振动 内容：输入振动的激振力，产品的振动信号。分析可得到固有频率，阻尼比、振型号等参数。 又称“机械阻抗试验”，“频率响应试验”检验产品抗振性能。振动系统振动系统#： 第一类测试系统： 简单系统：A 传感器把振动电学量 振动计把电学量位移、速度（冲量） 第二类测试系统 激振设备和控制设备施加 激振力。 传感器检测振动的信号 其他是控制，放大、记录、 分析、输出作用。第二节 测振传感器 在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字

25、化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。 般来说，振动传感器在机械接收原理方面，只有相对式、惯性式两种，但在机电变换方面，由于变换方法和性质不同，其种类繁多，应用范围也极其广泛。 在现代振动测量中所用的传感器，已不是传统概念上独立的机械测量装置，它仅是整个测量系统中的一个环节，且与后续的电子线路紧密相关。 由于传感器内部机电变换原理的不同，输出的电量也各不相同

26、。有的是将机械量的变化变换为电动势、电荷的变化，有的是将机械振动量的变化变换为电阻、电感等电参量的变化。一般说来，这些电量并不能直接被后续的显示、记录、分析仪器所接受。因此针对不同机电变换原理的传感器，必须附以专配的测量线路。 测量线路分类方法 测量线路的作用是将传感器的输出电量最后变为后续显示、分析仪器所能接受的一般电压信号。因此，振动传感器按其功能可有以下几种分类方法： 按机械接收原理分：相对式、惯性式； 按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式、光电式； 按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭振传感器、扭矩传感器。连接方式

27、 接触式 非接触式参考坐标 相对式 某物体为参考点 绝对式 大地为参考点常用测振传感器：涡电流、磁电流、压电式、阻抗头等。振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。绝对式传感器的力学模型 振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。 图4-4-绝对式传感器的力学

28、模型 m为惯性块质量，k弹簧刚度， C粘性阻尼系数 设被测件位移 、 速度 、 加速度 引起传感器m质量块相对外壳 运动: ， ， 则质量块绝对运动 ； ： 质量块绝对位移 运动方程为 +C (t)+ = + C (t) 1Z1Z1Z01Z01Z01Z0011( )( )ZZtZ t0Z0Zm0Z)(0tkZ)(1tkZ1Z绝对式传感器的力学模型 式说明整体运动是被测件振动引起，且通过弹簧和阻尼传递的。式说明质量块相对运动是被测件振动力所作用。根据此二式导出频率响应曲线对传感器要求：灵敏度高 平坦频幅特性曲线（即不同频率信号，其强度与外加强度有关与频率关系较少且呈线性） 质量小（不因传感器加入

29、影响被测件特性）0101011( )( )( )( )mZtcZtkZtmZt 或 tamamm nntmffmm nftmm、a、被测件原来加速度、质量、频率。传感器质量，只有当影响才可忽略。mmt一磁电式速度传感器： 电动式传感器inductive type transducer 利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出的，又称感应式传感器。这种传感器的工作不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出，它是一种典型的发电型传感器。电动式传感器主要用于测量物体的振动速度，配以积分电路或微分电路还可测量振动位移或加速度。它的优点是灵敏度高、输出功率大(可简化配套

30、的测量电路)、性能稳定，还可制成多种结构形式以适应不同的测量场合。它与相比，还具有输出阻抗低的优点，这相应地降低了对绝缘和输出电路的要求并减小了连接电缆的噪声干扰。电动式传感器的缺点是易磨损，工作温度不高，频响范围有限等。 具体分析：利用电磁感应原理，把传感器内质量块相对速度 转换成电信号。被测件振动速度 输出信号 频率响应、幅频特性、 相频特性如下： 01Z1Z01Z00 11ZZZ电动式传感器 质量块绝对位移质量块绝对位移 ， 惯性系统内质量块相对运，惯性系统内质量块相对运， 外加振动位移（被测物）外加振动位移（被测物） 所以所以 代表代表 有响应问题有响应问题 频率响应：（频率响应：（4

31、-84-8） 幅频特性幅频特性：4-9 相频特性：4-10 被振动 振动角频率 ：惯性系统阻尼 ： 惯性系统固有频率 0Z01Z1Z01Z1Z222/()1() 2()nvnnHjj22222/()1() 2()nvnnAj2 (/)( )21(/)nvnarctg 1Znnkm2cmk电动式传感器 式中m为质量块质量，即传感器的主体质量，k为刚度，C粘性阻尼系数，是传感器与被测物连接引起。 看到当 时， ，这时在不同振动频率下 大小可作为 振动速度 量度，所以 取得较小。 一般 =1015Hz， 由m,k可调节。 另外，希望得较大信号。 当然希望大些。 由（4-9） 看到越小 振幅就大 n.

32、()1vA01Z1Znnnkm( )vA绝对式磁电速度传感器 阻尼比 m,k.C, ,决定,一般取 =0.50.7，同时可以抑制共振，意外瞬态扰动。 图4-6代表 和 在不同频率下相位关系， 测量时希望二者同步即稳定相位差。 从图中可以看到低频范围（100HZ以下）， 在时，计算获得， 幅值差5%，相位差128无法满足精确测量。当 时相位差稳定在180度可 满足准确测量。2cmk01Z1Z1.7n( )vA(78)n绝对式磁电速度传感器图4-7是绝对式磁电速度传感器。惯性式动圈型电动传感器 它的磁钢与壳体固定在一起。芯轴穿过磁钢的中心孔，并由上下两片柔软的球面弹簧片支撑在壳体上。芯轴的一端固定

33、有线圈，另一端固定有铜质阻尼杯因其惯性质量由线圈、阻尼杯和芯轴组成，所以相对于壳体而言，称为动圈型。这种传感器适用于测量高频振动1-壳体; 2-弹簧片（起到把主体支持在壳体中作用，其径向有很大刚度能保证线圈径向位置，沿轴向刚度小保证固有频率低 ）； 3阻尼环（可增加系统质量，又起到阻尼作用，使阻尼比 较大）； 4磁钢； 5线圈； 6心轴；7弹簧； 8电缆线nkm2cmk绝对式磁电速度传感器 当外面轴向振动时，磁钢和线圈相对运动， 相对运动，运动速度正比于线圈内产生感应电动势E（即普物中线圈在磁场中切割磁力线磁钢的磁场）E与成正比，当 时， 与 成正比。以上除壳体之外全可算作前面提到的质量块。

34、图4-8， 是传感器 固定方式 a，d用附 件夹住 b放在 被测件手 按住 c用手 顶住01Z01Zn01Z1Z相对式磁电速度传感器图4-9相对式磁电速度传感器相对式动圈型电动传感器 它的结构比惯性式动圈型只多了一个顶杆。但簧片的刚度不能太小，根据测量对象的不同可选用各种刚度的簧片。测量时，将传感器外壳固定于被测振动物体上，顶杆固定于不动的参考面上，并给簧片以一定预压力；或反之，传感器不动，顶杆随被测物体运动。在这种结构中线圈和磁筒之间的相对运动速度直接等于物体的振动速度,线圈以相对速度切割磁力线,使传感器输出正比于振动速度的电压信号。它的测量频率下限可达到零，因此适用于低频振动速度测量。1顶

35、杆 2壳体 3，6弹簧 4磁钢 5线圈 6电缆所谓相对指壳体固定在一个测件上，顶杆在另一个被测件上。两个测件相对速度变成壳体磁钢与线圈的相对速度，线圈感应电动势与相对速度成正比。二、压电式加速度传感器 压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 有些晶体如石英、钛酸钡等在外力作用下，晶体分子的排列发生变化，引起极化，使得表面产生电荷，形成电场称为压电效应，这种晶体称为压电晶体。当外力去掉又回到不带电状态，这种现象称正

36、压电效应。 压电传感器正是利用正压电效应把外面振动转化成电学量。 压电晶体又分单晶（石英、酒石酸钾钠），多晶（钛酸钡、锆钛酸铅） 压电式加速度传感器的频率特性：与速度传感器一样，加速度传感器也存在频率响应的问题。 221/()1() ()nannHjj22221()1() 2 ()nannA压电式加速度传感器 与速度响应公式比较 分子上多 (且多的 ) 分子上多 , 与 一致。 由图4-11， 当 时 ， 它的量纲时间倒数 与加速度量纲, 相类似。 欲使 作为 量度,在 保证不 超过5%工作频率取 0.58。 再作一下比较22()()1()nanarctg ()vH j22( )vA2( )v

37、 ( )a n2( )1/anA21/t2/ l t01Z1Z7 . 065. 0n压电式加速度传感器 相频特性二式一样，但 ，工作频率比不一样，加速度传感器在 时，可以获得频率成线性关系，也就是多频率工作时，波形不失真相位差不大。 2、 压电式加速度传感器的结构： 它的结构如图4-12， a.固定型 b. 剪切型 c.三角剪切 , 图a质量块、 压电片、弹簧、 底座四部分组 成。7 . 05 . 0(7 8)n0.58n7 . 065. 0速度传 加速度/n 7 . 065. 0传感器的结构前面三部分装在中心架上，不与外壳接触。振动通过中心架传递厚可以使它瞬时温度变化灵敏度较好。图b，压电材

38、料圆筒形，粘结在中心架上，外圆周再粘结在一个圆筒状的质量块可通过剪切力作用产生电信号，可避免外界力的影响力作用，灵敏度也较高。图c，三块压电片、质量块、夹紧环组成，灵敏度高。底座对瞬时温度变化有隔离作用。3、 压电式加速度传感器的灵敏度 两种压电式加速度传感器的参数两种压电式加速度传感器的参数： 产品图示型号灵敏度(pC/ms-2)频响(Hz)量程(m/s2)内部结构形式横向比(%)安装方式外径高(mm)重量(g)DH1053000.20.5k3102中心压缩5M5螺纹404048340DH10740.56k5103平面剪切5M5螺纹1622.525安装和使用 压电体看作是电压源、电荷源，电压

39、mv，电荷微库仑与加速度比 , ，采用什么灵敏度表达式根据后面用什么放大器有关。对待同样材料的晶体，同样大小加速度，传感器的质量块越大灵敏度越高。但固有频率会降低，所以选取时适当。4、压电式加速度传感器的安装和使用 首先要注意传感器的主要灵敏度轴线与振动方向一致。 常用固定方式如图4-13用螺栓固定。注意基坐变形；需要绝缘采用云母。绝缘螺栓；用薄的腊层固定；安装和使用 对于多点快速测试，可以用手持探针； 用磁铁；用粘结剂。不同固定方式会对幅频特性有影响，图4-14 固定式的幅频特性其中采用钢螺栓固定，是使共振频率能达到出厂共振频率的最好方法。螺栓不得全部拧入基座螺孔，以免引起基座 变形，影响加

40、速度计的输出。在安装面上涂一层硅脂可增加不平整安装表面的连接可靠性。需要绝缘时可用绝缘螺栓和云母垫片来 固定加速度 计,但垫圈应尽量簿。用一层 簿蜡把加速度计粘在试件平 整表面上，也可用于低温 （40以下）的场合。手持 探针测振方法,在多点测试时 使用特别方便，测量电路测量电路：# 但测量误差较大，重复性差，使用上限频率一般不高于 1000Hz。用专用永久磁铁固定加速度计，使用方便，多在低频测量中使用。此法也可使加速度计与试件绝缘。用硬性粘接螺栓或粘接剂的固定方法也长使用。某种典型的加速度计采用上述各种固定方法的共振频率分别约为：钢螺栓固定法31kHz，云母垫片28kHz，涂簿蜡层29kHz，

41、手持法2kHz，永久磁铁固定法7kHz。总之,传感器要注意，基坐变形。磁场温度和声压的影响。图4-15 传感器连接引进噪声，防止电缆振动、变形。尽量固定。 5、压电式加速度传感器的测量电路：p74-75获得信号有二类放大器放大，电压源用电压放大器，电荷源电荷放大器电压放大器，就是高输入阻抗的比例放大 器。其电路比较简单，但输出受连接电缆对地电容的影响，适用于一般振动测量。要求输入阻抗高。优点电路简单，线性度好，稳定性好，电荷放大器，使用运算放大器，以电容作负反馈，使用中基本不受 电缆电容的影响。在电荷放大器中，通常用高质量的元、器件，输入阻抗高，但价格也比较贵输入阻抗高。三、压电式力传感器 在

42、振动试验中，除了测量振动，还经常需要测量对试件施加的动态激振力。压电式力传感器具有频率范围宽、动态范围大、体积小和重量轻等优点，因而获得广泛应用。压电式力传感器的工作原理是利用压电晶体的压电效应，即压电式力传感器的输出电荷信号与外力成正比。 图4-16用来作激振力的测量，上盖为传 力元件厚度0.1-0.5 mm，外壳和中间作为 电极，中间晶体,外力 作用产生电压。 这种传感器拉力1000N， 压力5000N，分 辨率可达1.0N。四阻抗头阻抗头： 阻抗头是一种综合性传感器。它集压电式力传感器和压电式加速度传感器于一体，其作用是在力传递点测量激振力的同时测量该点的运动响应。因此阻抗头由两部分组成

43、，一部分是力传感器，另一部分是加速度传感器，它的优点是，保证测量点的响应就是激振点的响应。使用时将小头（测力端）连向结构，大头（测量加速度）与激振器的施力杆相连。从“力信号输出端”测量激振力的信号，从“加速度信号输出端”测量加速度的响应信号。 注意，阻抗头一般只能承受轻载荷，因而只可以用于轻型的结构、机械部件以及材阻抗头阻抗头料试样的测量。无论是力传感器还是阻抗头，其信号转换元件都是压电晶体，因而其测量线路均应是电压放大器或电荷放大器。包括测激振力、加速度，有二个传感组成常用“机械阻抗试验”。 图4-17，结构上两者尽量接近壳体用钛制造，加速度传感器质量块用钨合金制，激振平台用铍制可以刚度大，

44、质量小与被测件联接用铜螺栓，压电材料用锆钛酸铅 右图是阻抗头阻抗头CL-YD-331的的外形和技术参数：外形和技术参数：加速度计部分:灵敏度 :5pC/ms-2 极限加速度:4000 ms-2 最大横向灵敏度比 :5% 频率响应:1Hz4KHz 工作温度:-10+20绝缘电阻:1010 力传感器部分:灵敏度 :4pC/N 极限加速度 :Push:100N,press:100N 最大横向灵敏度比:2%（50） 频率响应 :55KHz 工作温度 :-10+20 绝缘电阻:1010 电涡流传感器：电涡流传感器： 涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。它

45、是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运动状态，主要取决于其核心转轴，而电涡流传感器 电涡流传感器：电涡流传感器：能直接非接触测量转轴的状态，对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定，可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、

46、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应。而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性 电涡流传感器：电涡流传感器： 补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由

47、上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。电涡流传感器工作原理如图所示 具体参数： 当需要测量轴的径向振动时，要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。每个测点应同时安装两个传感器探头，两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔905。测量轴的径向振动或其他振动,分辨率0.2m 测量振动范围:1000m线性误差:0.3% 供电电源:24VDC第三节 产品振动检测产品振动检测 振级:表示振动大小的指标，实际中常用声压级（sound pressure level）即表示声压大小的指标。由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得质

48、点速度等其它物理量频谱分析；将信号源发出的信号强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。一 总振级的测量和频谱分析测量振动位移s，速度，加速度 ，原则上三者d svd t22d sdt,svdtadtv选一个就可以了，通过电子线路作微分，积分运算，三个量均可获得机械振动不可能只是一个频率，为了获得振动不同频率强度可采用频谱分析仪 一 总振级的测量和频谱分析这种仪器可从传感器传送信号（电的）得到振动的总振量级，还可以获得不同频率的振幅数值。图4-18（a）对电动机工作测量。图4-18（b）是测量谱图。对于旋转机械振动测量还可以与转速联系起来分析。取纵坐标-转速（r/m

49、in），横坐标-频率（HZ）斜线-振动的谐波次数。由图4-19。在r=1480r/min.三次谐波。r=1990r/min.六次谐波。在这二处有共振发生，是危险转速。共振频率不一定是产品的固有频率。，（这里应该说明：前面用此公式对传感器讨论，这里依产品本身的讨论），而与信号有关，有位移共振频率速度，加速度共振频率，三者与固有频率关系，为nkmrva二机械阻抗试验： 机械阻抗对于简谐振动的机械系统，其某点所受的激励（系统的外来扰动）与同一点或不同点的响应（系统受外来扰动后的反应）的复数比称为机械阻抗。机械阻抗的倒数称为机械导纳，它同传递函数可以通用，频率响应是其特殊（其实部为零、虚部为时）情况。

50、机械阻抗分位移阻抗（又称动刚度）、速度阻抗和加速度阻抗（又称有效质量）等。由于系统受激励后的响应与系统本身的动态特性、激励的形式和性质有关，所以机械阻抗也能描述系统的动态特性。机械阻抗的实验方法已有专门仪器并在许多领域得到应用。例如，提高机床的动刚度，确定火箭部件的环境试验条件，判断机器运行中重要零部件的损伤程度，检验桥墩有无裂缝等都需用机械阻抗。 用振动方法获得产品机械动态特性参数，以便改进产品设计。21 2rnnkmvn2Cmk221na阻尼比 0rvan当阻尼比 机械阻抗测试：如图4-20，包括：激励部分，力和响应检测部分，结果处理和记录。 激励部分：信号发生器，激振器，产生力力和响应检

51、测：力传感器，放大器 结果处理：信号处理电子仪器及记录仪器激振设备： 包括：信号源，功率放大器，激振器，信号力，且控制力的频率，幅值，波形1)信号和信号源：激励信号：稳态正弦信号，随机信号，瞬态信号稳态正弦信号：信号发生器产生，频率特性转度好，测试时间长 振动台和激振器：随机信号：分为白噪声和伪随机信号可以用计算机制作白噪声：指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程由仪器产生，在一段时间内功率密度不变伪随机信号：周期性重复的随机信号。瞬态：快速正弦扫频；脉冲激励，右图用脉冲锤敲击产生；跃迁激励：用弦施加张力，切断，相当负的跃迁张力。以上这些电子信号全

52、部可用示波器观察。2)振动台和激振器：利用激振台和激振器把电信号转换成力。前者振动台体积大，振动量大，后者可以移动图4-22脉冲锤，包括力传感器，锤头垫采用硬制材料，简单，方便电动式激振器 图4-23电动式激振器。1、支承弹簧 2、外壳 3、固定顶杆方向的铁块 4、顶杆 5，6、磁铁7、线圈。图4-24激振器的安装振动台和激振器的指标是最大推力值的大小，使用时，按大小选用，安装时注意：a 高频时用软弹簧把激振器悬挂，尤其是激振频率1/3。b低频垂直激振，把激振器固定在刚性基础上，其比激振频率高3倍。c作水平激振可斜挂成角。连接时将激振器与试件连接力方向刚度大，横向小，保证了激振力的传递。 图4

53、-25电磁激振器。它与试件不接触。 1、底座 2、铁芯 3、励磁线圈 4、力检测线圈衔铁 6、位移传感器。4固有频率和阻尼比的求取：固有频率和阻尼比的求取：当线圈通过电流，铁芯对衡铁产生电磁力。在衔铁上试件受到铁芯吸引，引起撞击。分别位移和力传感器得到振动信号，激振力可达几吨。工作频率500800Hz。4固有频率和阻尼比的求取：固有频率和阻尼比的求取： 幅频曲线分析法：幅频曲线分析法：图图4-26 在幅值最大位移频率即位移共振频率，在幅值最大位移频率即位移共振频率，当当 小时，小时，在共振频率最大值的处在共振频率最大值的处 作一横线，作一横线，a,b=两点得阻尼比为两点得阻尼比为 rrn122

54、122nn实、虚部频率特性分析法： 在频率响应公式有j这个符号， 所以它是复变函数。如 Z=x+jy,x为实部，y为虚部 曲线， 为实部为零，两个点之间为 曲线，在虚 部 对应 。在峰谷 1/2 处划横线 , ， 以上两组曲线可估计阻尼比 共振频率 1y eR0n2mI12 kn21,212n相频曲线： 由图4-28看到不管阻尼比 什么值， 当 时，位移相位角总是 ， 所以根据相频曲线可求 值。n2n5机械阻抗测量应用 图4-29，3000kg燃汽转子,轴劲中心距为2152mm,直径500mm重1171kg,用脉冲锤冲击激振,锤重500g,获图4-30三个共振频率175、240 ，310Hz.

55、第四节第四节 噪声测量基础噪声测量基础关于声波: 声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波.声波借助各种媒介向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形，例如对于人耳的可听声波，当那种阵面波达到人耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好媒质。在真空状态中声波就不能传播了。除了空气，水、金属、木头等也都能够传递声波，它们都是声波的良好媒质。在真空状态中声波就不能传播人对声音的感觉有一定频率范围，大约每秒钟振动2

56、0次到20000次范围内，即频率范围是20Hz-20000Hz，如果物体振动频率低于20Hz或高于20000Hz人耳就听不到了，高于20000Hz的频率就叫做超声波，而低于20Hz的频率就叫做次声波。声波 所以说不是所有物体的振动所发出的声音我们都能听到的。另外要能听到声音也必须有传播声音的介质。 声波是大气压力之外的一种超压变化。 空气粒子振动的方式跟声源体振动的方式一致，当声波到达人的耳鼓的时候就引起耳鼓同样方式的振动。驱动耳鼓振动的能量来自声源体，它就是普通的机械能。不同的声音就是不同的振动方式，它们能够起区别不同信息的作用。人耳能够分辨风声、雨声和不同人的声音，也能分辨各种言语声，它们

57、都是来自声源体的不同信息波。 声源”在空气中振动时，一会儿压缩空气，使其变得“稠密”；一会儿空气膨胀，变得“稀疏”，形成一系列疏、密变化的波，将振动能量传送出去。这种媒介质点的振动方向与波的传播方向一致的波，称为“纵波”。噪声: 结论：声音是机械波,是物体机械振动通过媒质传播的结果.声波是纵波传播方向与振动方向垂直）. 人耳朵能听声波频率20-20000z范围.声波传播速度344m/s空气中噪声: 物理定义而言，振幅和频率上完全无规律的震荡称之为噪声。从环境保护角度而论，凡是人们所不需要的声音统称为噪声。噪声的显著特点是：无污染物存在、不产生能量积累、时间有限、传播不远、振动源停止振动噪声消失

58、、不能集中治理。噪声来源于交通工具、工厂机器设备、建筑施工和人们的社会、家庭活动噪声对人类的危害个是多方面的，其主要表现为对听力的损伤、睡眠干扰、 人体的生理和心理影响。当人在100分贝左右噪声环境中工作时会感到刺耳、 难受，甚至引起暂时性耳聋。超过140分贝的噪声会引起眼球的振动、视觉模糊，呼吸、脉膊、血压都会发生波动，甚至会使全身血管收缩，供血减少，说话能力受到影响。是一种不和谐的声音,有损人的健康,所以也是评定产品质量的指标之一,环境保护必要依据.一、噪声的物理量度： 1、声压和声压级: 声压是指声波媒质中的压强超过静压强的值.有效声压简称 某点的有效声压是该点在一段时间0-t的声压的均

59、方根数 声压用P表示,单位为帕Pa,即N/ 声量声量表示声音强弱的基本的物理量.正常人能听到1000Hz声压 叫声阈声压, 我们定义它为参数声压. 使人有痛感的声压20Pa,根据听觉又定义分贝dB,称声压级声压级. (dB)单位分贝是无量纲相对量. 式中 参考声压2r01P( )tmspt dtt521 0ap0p020logppLp502 1020aappp 2、声强和声强级: 声强声强:在指定方向,单位时间,单位面积通过的平均声能,用I表示,单位为W/ T为时间长到不影响计算结果的时间,p为瞬时声压,Vn、n方向上速度。 声音是球面波或自由平面波 p有效声压, 为媒质密度,C为声速. 声强

60、级声强级 （dB）式中 参考声强 把 代入 可见声强级和声压级一致 01TmnIP Vd tT2pIc010 logIILI122010/Iwm2pIc220010log20logIpppcLLppc3、声功率和声功率级:声功率是单位时间内辐射的总能量,W表示单位瓦.声功率级Lw, 参数功率4、频带和噪声的频带: 声音高频尖锐,低频低沉取决声源振动频率,在听觉20-20000Hz范围内,频率1000倍变动,为了分析方便,将宽广频率范围划分若干频段,每频段称为一个频带或频程,目前十段,10段频程表示,每一段用中心频率来命名,噪声仅用中间八段.表4-2可看中心频率的带宽表示.右上图：中心频率为横坐